Institut für Chemische Verfahrenstechnik

Prof. U. Nieken

Chemische Verfahrenstechnik

Universität Stuttgart

Universität Stuttgart

Chemische Verfahrenstechnik

3

Mathematisch orientiert

naturwissenschaftlich orientiert

wirtschaftlichorientiert

Grundlagendes

Ingenieurs

Automatisierungs-technik

Technologie-management

TechnischeKybernetik

Verfahrenstechnik

Fahrzeug- und Motorentechnik

Universität Stuttgart

Chemische Verfahrenstechnik

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Historische Entwicklung

Arbeitsfelder

Ausbildungsinhalte

Vorlesungsangebot

Universität Stuttgart

Entwicklung der Chemische Verfahrenstechnik

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Stoffumwandlung durch chemische Reaktion

Bindeglied zwischen Verfahrenstechnik und Chemie

• Scale-up von Labor zu Produktionsmaßstab

Foto:BASF

Universität Stuttgart

Chemische Reaktionstechnik

Chemie:Ausarbeitung Syntheseabgeschlossen

Verfahrenstechnik:Produktion größererMengen

Universität Stuttgart

RührkesselreaktorjN p

T

c j RV

jN

Aufgabe des Ingenieurs:- Apparatebau- Vermischung- Wärmeabfuhr

Universität Stuttgart

ChemischeReaktionen

Elektro-ChemischeEnergiespeicher

Pharmakologie:Wirkstoffabbau

im Körper Brennstoff-zellen

KFZ-Abgas-reinigung

Lebensmittel-technik

Biotechnologie

ChemischeIndustrie

Pharma-Industrie

Halbleiter-herstellung

(Bio-) Polymere

neue Werkstoffe

Arbeitsfelder

Universität Stuttgart

Drei-Wege Katalysator

• M.Sc. Jeremias Bickel

Beispiel Reaktionstechnik

Universität Stuttgart

TWC functionality

CO2

N2

H2O

HC + O2 CO2 + H2O

CO + O2 CO2

NO + CO CO2 + N2

TWC

engine-out (EO) tailpipe (TP)

N2(≈71%)

CO2 (≈14%)

H2O (≈13%)

CO (≈1%)

O2 (≈1%)

NOx (≈0.1%)

HC (≈0.1%)

air

λ-controlon-board diagnosis

air massmeasurement

fuel injection

Universität Stuttgart

Steady-state conversion < 1

oxidant deficiency /reductant excess

> 1reductant deficiency /oxidant excess

narrow operating window

Universität Stuttgart

Extending the operating window: Basic idea

< 1oxidant deficiency /reductant excess

> 1reductant deficiency /oxidant excess

Store and release oxygen to compensate for an imbalance of oxidants and reductants during operation at λ ≠ 1

release oxygen store oxygen

Universität Stuttgart

Transient TWC behavior without oxygen storage

Universität Stuttgart

Transient TWC behavior with perfect oxygen storage: Infinite capacity, infinite storage/release rate

Universität Stuttgart

How to examine oxygen storage dynamics:

Experimental setup

static mixergraphite gaskets

inlet gas withdrawal + thermocouple

catalyst slice

Universität Stuttgart

Simulation results

Catalyst A Catalyst E richlean

Universität Stuttgart Datum

Aufgabe des Ingenieurs:

Verständnis für Zusammenwirken von chemischen Umsetzungen (CO, NOx, HC) und Stoffspeicherung (Sauerstoff)

Vermessung der Geschwindigkeit von Reaktion und Speicherung

Entwicklung eines einfachen mathematischen Modells

Universität Stuttgart

Institut für Chemische Verfahrenstechnik

ReaktionstechnikProf. Dr.-Ing. Ulrich Nieken

Strukturbildung und Transport in porösen MedienProf. Dr.-Ing. Ulrich Nieken

Apparate und AnlagentechnikProf. Dr.-Ing. habil. Clemens Merten

Polymer- u. MembrantechnikDr. Jochen Kerres

Partikelbasierte FunktionsmaterialienPD Dr.-Ing. habil. Martin Seipenbusch

Universität Stuttgart

Solare Kühlung

• M.Sc. Marc Scherle(Doktorand)

Beispiel Physikalisch-Chemische Verfahren

Universität Stuttgart

Physikalisch-Chemische Verfahren

Beispiel: Solare Kühlung mittels Adsorptionsverfahren

pQ.

Q.

p

RegenerationZyklische

Betriebsweise

Prozesssimulation Detaillierte Beschreibung des Adsorptionsvorgangs

Produktion

Universität Stuttgart

Adsorptionskältemodul

Monolithische AK: Aktivkohlepulver mit keramischem Binder extrudiert

𝑡 MAC

Adsorptionskältemodul mit monolithischer Aktivkohle

MeOH (g)

Edelstahlflachrohr

Monolithische Aktivkohle

WärmeträgerfluidEnergie- und Stofftransport

AdsorptionDesorption

Beschreibung des Stoff- und Energietransports mithilfe von Massen- und EnergiebilanzenHerausforderung: Optimierung der Aktivkohle für die Adsorptionskälteanwendung

Universität Stuttgart

Integriertes Adsorptionskältemodul

R. Burk et.al., Modul für eine Adsorptionswärmepumpe, DE102011079586A1

Universität Stuttgart

Aufgabe des Ingenieurs:

Quantifizierung des Stoff- und Wärmetransportes

Auswahl geeigneter Materialien

Design der Wärmepumpe

dynamische Simulation und Optimierung der Wärmepumpe

Universität Stuttgart

Flüssigkeitsbatterie

• M.Sc. Jiabing Xia

Universität Stuttgart

EDBP (Charging) EDBP (Charging) Electricity

NaCl

NaOH HCl

REDBP (Discharging)REDBP (Discharging)

HCl NaOH

HClStorage

NaOHStorage

NaCl

Electricity

Salt Water

Funktionsprinzip

Universität Stuttgart

+

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+

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+

+

-

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-

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-

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-

-

AEM BP CEM

NaCl

(a) (b)

(c) (d)

Membrane

Universität Stuttgart 27.11.2018 27

Aufbau eines Stacks

Universität Stuttgart

• 5 x 5 cm2Working Cell

28

123456

Universität Stuttgart

Aufgabe des Ingenieurs:

Grundlagen Elektrochemie

Aufbau und Betrieb Prototyp

Optimierung des Aufbaus

Auswahl und Bewertung der Membran

Simulation der Leistungsverluste

Universität Stuttgart

Institut für Chemische Verfahrenstechnik

ReaktionstechnikProf. Dr.-Ing. Ulrich Nieken

Strukturbildung und Transport in porösen MedienProf. Dr.-Ing. Ulrich Nieken

Apparate und AnlagentechnikProf. Dr.-Ing. habil. Clemens Merten

Polymer- u. MembrantechnikDr. Jochen Kerres

Partikelbasierte FunktionsmaterialienPD Dr.-Ing. habil. Martin Seipenbusch

Universität Stuttgart

Thermodynamik von Mischungen

Spezialisierung: Chemische Verfahrenstechnik

Grundlagen

Numerik IChemische

Reaktionstechnik I

Modellierung verfahrenstechnischer Prozesse

Strömungsmechanik

Numerik II

Universität Stuttgart

Chemische Reaktionstechnik II U. Nieken/U. Tuttlies 6

Chemische Reaktionstechnik III – Industrielle Reaktionstechnik G. Kolios u.a. 3

Vertiefte Grundlagen der technischen Verbrennung A. Kronenburg 3

Abgasnachbehandlung in Fahrzeugen U. Tuttlies 3

Nichtgleichgewichts-Thermodynamik: Diffusion und Stofftransport J. Groß 3

Polymer-ReaktionstechnikTeil 1: Mechanismen und PraktikumTeil 2: Berechnung und Simulation

J. KerresK.D. Hungenberg

6(3)(3)

Elektrochemische Verfahrenstechnik J. Kerres 6

Elektrochemische Energiespeicher in Batterien A. Friedrich 3

Lithiumbatterien: Theorie und Praxis A. Friedrich 3

Prozessführung und Production IT in der Verfahrenstechnik O. Sawodny, J. Birk 3

Vorlesungsangebot zum SpezialisierungsfachChemische Verfahrenstechnik

Reaktionstechnik

Thermodynamik

Polymere

Elektrochemische Verfahren

Regelungstechnik

Universität Stuttgart

Chemische Reaktionstechnik IIGrundlagen mehrphasiger Systeme, Versuche,

Simulation

Chemische Reaktionstechnik IIIVertieftes Verständnis, Praxis

Abgasnachbehandlung in FahrzeugenÜbersicht, Praxis

Vertiefte Grundlagen der technischen Verbrennung, Theorie, Grundlagen

Reaktions-technik

Universität Stuttgart

Polymerreaktionstechnik IGrundlagen, Basiswissen, Praktikum

Polymerreaktionstechnik IIBerechnungsmethoden, Modellierung und Simulation

Polymere

Universität Stuttgart

Elektrochemische VerfahrenstechnikÜbersicht, Theorie Elektrochemie

Elektrochemische Energiespeicherung in BatterienSpezialvorlesung zu aktuellem Thema

Lithiumbatterien: Theorie und PraxisSpezialvorlesung zu aktuellem Thema

Elektro-chemische Verfahren

Universität Stuttgart

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Universität Stuttgart

Institut für Chemische Verfahrenstechnik